Atingerea unei alte stele într-un interval de timp practic va necesita ceva mult mai capabil decât rachetele chimice. Una dintre ideile de frunte este vela solară - o structură mare reflectorizantă care poate fi împinsă de lumină. Dacă lasere extrem de puternice sunt îndreptate către o astfel de velă, acestea ar putea să o accelereze la viteze mult peste ceea ce pot realiza sistemele de propulsie actuale.

Dar poate exista o problemă neașteptată odată ce o velă luminoasă începe să călătorească la o fracțiune semnificativă din viteza luminii. Conform unei noi lucrări pe arXiv de Chao Shen și Jiaze Li de la Institutul de Tehnologie Harbin, aceeași lumină folosită pentru a propulsa vela ar putea produce în cele din urmă un efect de tracțiune.

Cercetătorii separă forțele produse de fotoni care lovesc o velă solară în trei categorii. Cea mai puternică contribuție vine de la lumina incidentă (acel impuls brut al fotonilor care lovesc vela). Urmează reflexia speculară (impulsul transmis atunci când fotonii sar perfect de pe velă). Cea mai slabă contribuție vine de la împrăștierea difuză (impulsul de la fotonii care sunt absorbiți de velă și apoi reemisi în direcții aleatorii).

La viteze relativ scăzute, aceste efecte contribuie toate la împingerea velei înainte. Situația devine mult mai complicată odată ce nava spațială atinge viteze relativiste. Pe măsură ce vela se îndepărtează de sursa laser, lumina care ajunge la ea suferă o deplasare Doppler din ce în ce mai puternică. Frecvența luminii incidente scade, reducând cantitatea de tracțiune produsă de toate cele trei componente. Ca rezultat, accelerarea continuă devine progresiv mai puțin eficientă. Cu cât vela călătorește mai repede, cu atât devine mai greu pentru laser să continue să îi crească viteza.

Situația se schimbă chiar mai dramatic odată ce vela luminoasă atinge aproximativ 75% din viteza luminii. La acea viteză, aberația relativistă a luminii devine importantă. Din punctul de vedere al unui observator staționar pe Pământ, lumina împrăștiată difuz începe să fie direcționată înainte, spre direcția în care călătorește vela. Deoarece fiecare acțiune are o reacțiune egală și opusă, acea radiație direcționată înainte produce o forță în direcția opusă. Aceasta înseamnă că împrăștierea difuză (recunoscută ca fiind cea mai slabă dintre cele trei forțe) începe să acționeze ca o tracțiune odată ce vela trece de aproximativ 75% din viteza luminii. Laserul încă împinge vela înainte în ansamblu, deci forța totală nu devine negativă. Totuși, eficiența sistemului de propulsie scade substanțial.

Velele solare reale s-ar confrunta cu și mai multe provocări. Studiul este concentrat în mod specific pe dinamica radiativă; nu include efecte non-radiative, cum ar fi coliziunile și tracțiunea din gazul sau praful interstelar. De asemenea, lasă deoparte limitele termice ale materialelor reale pentru vele. O velă expusă unui laser extrem de puternic ar putea potențial să se supraîncălzească sau chiar să se topească. Pentru simplitate, cercetătorii modelează vela luminoasă ca o oglindă idealizată. Navele spațiale reale ar folosi probabil materiale mult mai sofisticate.

Inginerii investighează deja metamateriale avansate și cristale fotonice proiectate pentru lungimi de undă specifice ale laserului. În principiu, aceste materiale ar putea chiar să profite de efectele de aberație descrise în studiu. Ele ar putea ajuta o velă luminoasă să își corecteze automat orientarea și să își stabilizeze traiectoria, astfel încât să rămână centrată în fasciculul laser.

O velă solară interstelară complet operațională este încă departe de a deveni realitate. Călătoria pe distanțe interstelare introduce multe complicații suplimentare, inclusiv curbura spațiu-timpului, pe care lucrarea de asemenea o simplifică. Chiar și așa, înțelegerea acestor efecte de mare viteză este o parte importantă a determinării modului în care astfel de nave spațiale ar putea funcționa în cele din urmă. Dacă umanitatea va trimite într-o zi o sondă către o altă stea, inginerii vor avea nevoie de o înțelegere detaliată a fiecărei forțe care ar putea afecta călătoria sa.